JP6278620B2 - アクティブコンプライアンス装置 - Google Patents

Description

この発明は、自動組立設備におけるロボットと組立対象部品との位置誤差を吸収するアクティブコンプライアンス装置に関するものである。

従来、生産設備において、ロボットなどの自動機械（以下、ロボットと記す）を用いて部品の供給、組立、部品実装工程などを行う際、位置誤差（対象部品の寸法誤差、ロボットの位置決め誤差などによる）を吸収する目的で、ロボットとハンドとの間や冶具にコンプライアンス装置を取り付ける場合がある。このコンプライアンス装置において、作業の種類によってコンプライアンスの大きさを自由に変えることのできる装置（アクティブコンプライアンス装置）が知られている（例えば特許文献１参照）。
また、複数方向にコンプライアンス性を持たせた多自由度のコンプライアンス装置が求められる作業がある。この要求に対して、６自由度のアクティブコンプライアンス装置が知られている（例えば特許文献２参照）。

特開２００９−２７１７８３号公報 特開２０１２−６１５６４号公報

ここで、工程の内容によってコンプライアンスの必要な方向が異なり、例えばスカラ（水平型）ロボットを用いるような工程では、平面内（ＸＹθ）方向のコンプライアンスが有効となる場合がある。これに対し、特許文献１に開示された装置では自由度が不足しているという課題がある。また、特許文献２に開示された装置ではアクチュエータやセンサがリンクの可動部に配置されており、それらのケーブルの発生する反力がリンクの位置や姿勢によって一定でないため、コンプライアンス装置の可動部での微細な力制御を妨げる要因となる。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、平面内方向にコンプライアンスを有し、可動部の微細な力制御が可能であるアクティブコンプライアンス装置を提供することを目的としている。

この発明に係るアクティブコンプライアンス装置は、対向配置された第１，２のプレートと、第１，２のプレート間に、第１，２のプレート面に対して三角形状となるように配置され、当該第１，２のプレートを対向面内で相対的に変位させる３つのリンク機構と、各リンク機構の動作を制御する制御部とを備え、リンク機構は、第１，２のフレームと、リンク機構の一端側に設けられ、第１のフレームを第１のプレートに対して回動自在に接続する第１の回転機構と、リンク機構の他端側に設けられ、第２のフレームを第２のプレートに対して回動自在に接続する第２の回転機構と、第１，２のフレームを相対的に変位可能に接続する直動機構と、第１の回転機構の回転角度を検知する角度センサと、第１の回転機構の発生トルクを制御する回転モータとを備え、制御部は、ＸＹθ座標系におけるコンプライアンス値であって、ＸＹθ座標系における慣性、粘性、および弾性のうちの少なくとも一つを含むコンプライアンス値を設定するとともに、３つの角度センサにより検知された回転角度と、コンプライアンス値とに基づいて算出したトルクにより３つの回転モータを制御し、かつコンプライアンス値の変更が必要であると判断した場合にコンプライアンス値を変更する。

この発明によれば、上記のように構成したので、平面内方向にコンプライアンスを有し、可動部の微細な力制御が可能であるアクティブコンプライアンス装置を得ることができる。

この発明の実施の形態１に係るコンプライアンス装置の構成を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１における制御部の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係るコンプライアンス装置の第１，２の回転機構および第１〜３のリンク機構の配置を示す図である。 この発明の実施の形態１に係るコンプライアンス装置を適用した第２のプレートの第１のプレートに対する変位と回転モータで発生するトルクとの関係の例を示す図である。 この発明の実施の形態１における制御部による制御動作を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１に係るコンプライアンス装置をロボットとハンドとの間に取り付けた場合を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１に係るコンプライアンス装置を治具に取り付けた場合を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１に係るコンプライアンス装置の運用例を示すための作業例を説明する斜視図である。 図８の治具にコンプライアンス装置を取り付けた状態を示す斜視図である。 図８の運用例での動作を示す斜視図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係るコンプライアンス装置１の構成を示す斜視図である。
コンプライアンス装置１は、平面内において位置（ＸＹ）方向および姿勢（θ）方向に対してコンプライアンスを有する装置である。すなわち、ＸＹθの３自由度のコンプライアンスを有する装置である。このコンプライアンス装置１は、図１に示すように、対向配置された第１，２のプレート１１，１２と、第１，２のプレート間に配置された第１〜３のリンク機構１３ａ〜１３ｃと、第１〜３のリンク機構１３ａ〜１３ｃの動作を制御する制御部１４とから構成されている。

第１〜３のリンク機構１３ａ〜１３ｃは、第１，２のプレート１１，１２を対向面内（平面内）で相対的にＸＹθ方向に変位させるものである。以下において、特に区別する必要がない場合には、第１〜３のリンク機構１３ａ〜１３ｃをリンク機構１３と称す。

このリンク機構１３には、第１，２のフレーム１３１，１３２が設けられている。この第１のフレーム１３１の一端には、第１のフレーム１３１を第１のプレート１１に対して回動自在に接続するための第１の回転機構１３３が設けられている。同様に、第２のフレーム１３２には、第２のフレーム１３２を第２のプレート１２に回動自在に接続するための第２の回転機構１３４が設けられている。また、第１，２のフレーム１３１，１３２間には、第１，２のフレーム１３１，１３２を相対的に変位可能に接続する直動機構１３５が設けられている。この直動機構１３５により、第１，２の回転機構１３３，１３４間の距離を可変とすることができ、リンク機構１３の長さを伸縮自在とすることができる。

また、第１の回転機構１３３には、第１の回転機構１３３の回転角度を検知する角度センサ１３６と、第１の回転機構１３３の発生トルクを制御する回転モータ１３７とが接続されている。この回転モータ１３７による回転制御によって、各リンク機構１３は、第１のプレート１１に相対して揺動動作を行うことができる。

また、制御部１４は、角度センサ１３６により検知された第１の回転機構１３３の回転角度に基づいて、回転モータ１３７の制御を行うものである。この制御部１４は、図２に示すように、コンプライアンス値設定部１４１、センサ値取得部１４２、角度計算部１４３、モータトルク計算部１４４、モータトルク出力部１４５およびコンプライアンス値変更判断部１４６から構成されている。

コンプライアンス値設定部１４１は、第２のプレート１２で発生するＸＹθ方向のコンプライアンス値を設定するものである。また、コンプライアンス値変更判断部１４６により、コンプライアンス値の変更が必要と判断された場合には、コンプライアンス値の変更を行う。例えば、作業工程の変更などの際に、上位コントローラからの指令があった場合などにコンプライアンスの変更が行われる。

センサ値取得部１４２は、角度センサ１３６による検知結果を示すセンサ値を取得するものである。

角度計算部１４３は、センサ値取得部１４２により取得された角度センサ１３６のセンサ値に基づいて、第１の回転機構１３３の回転角度を計算するものである。

モータトルク計算部１４４は、角度計算部１４３により計算された第１の回転機構１３３の回転角度に基づいて、回転モータ１３７に要するトルクを計算するものである。

モータトルク出力部１４５は、モータトルク計算部１４４により計算されたトルクを回転モータ１３７に出力するものである。

コンプライアンス値変更判断部１４６は、コンプライアンス装置１が適用された自動組立設備における作業の種類に応じて、例えば上位コントローラがコンプライアンス設定を変更すると判断した場合に、コンプライアンス値設定部１４１により設定されたコンプライアンス値の変更の要否を判断するものである。

そして、外力によって、第１，２のプレート１１，１２でＸＹθ方向に生じた相対的な変位が第１の回転機構１３３の角度変化としてあらわれるので、角度センサ１３６によって検知し、制御部１４でその検知結果および予め設定したコンプライアンス値を用いて回転トルクを演算し、回転モータ１３７でその回転トルクを発生する。これにより、コンプライアンス装置１を、平面内（ＸＹθ）方向に対して、それぞれに自在のコンプライアンス性を持たせたアクティブコンプライアンス装置として用いることができる。

次に、上記のように構成されたコンプライアンス装置１の回転モータ１３７が発生するトルクの計算について示す。
まず、本発明のコンプライアンス装置１は、図３に示すように、第１のプレート１１上の３箇所の回転機構接続部（Ｂ_１〜Ｂ_３）と、第２のプレート１２上の３箇所の回転機構接続部（Ｅ_１〜Ｅ_３）とを、第１〜３のリンク機構１３ａ〜１３ｃ（長さＬ_１〜Ｌ_３）で第１，２の回転機構１３３，１３４を介して結合した構成とする。

また、座標系として、第１のプレート１１上の座標系ΣＸ_Ｂ−Ｙ_Ｂと、第２のプレート１２上の座標系Σｘ_ｅ−ｙ_ｅを設定する。座標系Σｘ_ｅ−ｙ_ｅは、座標系ΣＸ_Ｂ−Ｙ_Ｂに対して相対位置・角度が変化する座標系である。

このとき、座標系ΣＸ_Ｂ−Ｙ_Ｂで表した第２の回転機構１３４の位置は下式（８）のように表される。

具体的には、

次に、行列Ｊの各要素を求める。式（１０）において

とする。つまり、

とする。

このとき、行列Ｊの各要素は下式（１４）のように計算できる。

ここで、仮想仕事の原理より、［第１の回転機構１３３に搭載したアクチュエータによる仮想仕事=第２のプレート１２の仮想仕事］が成立するので、

が得られる。そして、式（１８）を変形すると、

が得られる。つまり、下式（２０）が成立する。

となる。この式（２１）を（２０）に代入すると

が得られる。

次に、本発明のコンプライアンス装置１を任意のコンプライアンス特性を発生するデバイスとして使用する場合（アクティブコンプライアンスとして使用する場合）について示す。

この式（２３）を式（２２）に代入すると

次に、本発明のコンプライアンス装置１を適用した第２のプレート１２の第１のプレート１１に対する変位と回転モータ１３７で発生するトルクとの関係についての計算の例を図４に示す。
各回転機構の位置を、Ｂｘ_１＝２１．２ｍｍ，Ｂｙ_１＝２１．２ｍｍ，Ｂｘ_２＝−２９．０ｍｍ，Ｂｙ_２＝７．８ｍｍ，Ｂｘ_３＝７．８ｍｍ，Ｂｙ_３＝−２９．０ｍｍ，ｅｘ_１＝−２１．２ｍｍ，ｅｙ_１＝２１．２ｍｍ，ｅｘ_２＝−７．８ｍｍ，ｅｙ_２＝−２９．０ｍｍ，ｅｘ_３＝２９．０ｍｍ，ｅｙ_３＝７．８ｍｍとした。
また、下記の計算例ではコンプライアンス装置１は、Ｙ方向に柔らかいバネのように動き、Ｘ，θ方向には硬いバネのように動くアクティブコンプライアンスデバイスとしてＫＸ＝１０Ｎ／ｍｍ，ＫＹ＝０．１Ｎ／ｍｍ，Ｋθ＝１０Ｎ／ｒａｄとし、慣性および粘性は省略した。

例えば原点位置（Ｘ，Ｙ，θ）＝（０，０，０）の位置から開始して、（Ｘ，Ｙ，θ）＝（０．１ｍｍ，５．０ｍｍ，０．１ｄｅｇ）まで外力によって移動させられる際には、図４のように各回転モータ１３７のトルクを発生させればよいことになる。

次に、上記のように構成されたコンプライアンス装置１の制御部１４による制御動作について、図５を参照しながら説明する。
制御部１４による制御動作では、図５に示すように、まず、コンプライアンス値設定部１４１は、各リンク機構１３のコンプライアンス値を設定する（ステップＳＴ６１）。

次いで、センサ値取得部１４２は、角度センサ１３６による検知結果を示すセンサ値をを取得する（ステップＳＴ６２）。

次いで、角度計算部１４３は、角度センサ１３６のセンサ値から第１の回転機構１３３の回転角度を計算する（ステップＳＴ６３）。

次いで、モータトルク出力部１４５は、モータトルク計算部１４４により計算されたトルクを回転モータ１３７に出力する（ステップＳＴ６５）。

次いで、コンプライアンス値変更判断部１４６は、例えば上位コントローラからの指令によってコンプライアンス値設定部１４１により設定されたコンプライアンス値を変更する必要があるかを判断する（ステップＳＴ６６）。このステップＳＴ６６において、コンプライアンス値変更判断部１４６が、コンプライアンス値の変更が必要と判断した場合には、シーケンスはステップＳＴ６１に戻り、新たなコンプライアンス値の設定が行われる。一方、ステップＳＴ６６において、コンプライアンス値変更判断部１４６が、コンプライアンス値の変更は不要と判断した場合には、シーケンスはステップＳＴ６２に戻る。

次に、上記のように構成されたコンプライアンス装置１の適用例について、図６，７を参照しながら説明する。
図６はこの発明の実施の形態１に係るコンプライアンス装置１をロボット５１とハンド５２との間に取り付けた場合を示す斜視図である。
図６に示すように、図１に示すコンプライアンス装置１を自動組立設備におけるロボット５１とハンド５２との間に取り付けて使用することで、ロボット５１とパレット５３に収納された組立対象の部品５４との位置誤差を吸収し、過大な力がハンド５２および部品５４に加わることを回避することができる。その際、コンプライアンス値を自在に設定・変更できることで（アクティブコンプライアンスデバイス）、多種の部品や作業（きついはめあい部品の場合にはバネ定数設定値を大きくする、破損しやすい部品の場合にはバネ定数設定値を小さくするなど）に対応できる。また、ＸＹθ方向のコンプライアンス値を独立して変更可能にすることで、複数方向からの作業がある場合（複数部品を組み立てる場合で、突き当て方向の異なる場合など）に対応できる。また、本発明ではモータやセンサを第１のプレート１１に対して相対的に可動しないように配置したことで、それらのケーブルの反力の影響を第２のプレート１２に与えない構成としている。そのため、破損しやすい部品の作業を従来よりも微細な力で行うことができることになる。

図７はこの発明の実施の形態１に係るコンプライアンス装置１を治具５５に取り付けた場合を示す斜視図である。
図７に示すように、図１に示すコンプライアンス装置１を部品組立を行う治具５５に設置することで、ロボット５１と組立対象の部品５４との位置誤差を吸収し、過大な力がハンド５２および部品５４に加わることを回避することができる。その際、平面内のＸＹθ方向のコンプライアンス値を独立して変更可能とすることで、多種の部品５４や作業に対応できる。例えば、治具５５に固定された部品５４ａにロボット５１のハンド５２で把持した部品５４ｂを挿入する際に、Ｘ方向やθ方向はハンド５２によって部品がセンタリングされるため高い位置精度が出ているが、Ｙ方向には位置がずれている場合がある。その場合、Ｙ方向のみを柔らかく設定することで、ハンド５２と部品５４ａ，５４ｂとが位置誤差（部品５４ａ，５４ｂの寸法誤差、ロボット５１の位置決め誤差）などにより精密に位置あわせできていない場合であっても、本発明のコンプライアンス装置１によりその位置誤差を吸収することができる。その際、本発明においては、上述のとおり、破損しやすい部品の作業を従来よりも微細な力で行うことができることになる。

次に、この発明の実施の形態１に係るコンプライアンス装置１の運用例について、図８〜１０を参照しながら説明する。
本発明のコンプライアンス装置１のように、コンプライアンス設定を各方向に個別に設定／変更できる構成は、下記のようなケースの作業で有効である。

図８に示す作業では、治具５５ａにしっかりとクランプされたワーク５６に搭載されている破損しやすい部品５４ｃに対して、面５４１と面５４２にそれぞれ部品５４ｄと部品５４ｅをロボット５１などを用いて突き当てて実装するものとする。なお、部品５４ｄはＹ方向に（精密な）位置決めを行う必要があり、部品５４ｅはＸ方向に（精密な）位置決めを行う必要があるとする。
このような作業の場合、ワーク５６が治具５５に固定されているため、部品５４ｃ〜５４ｅの寸法ばらつきや、部品５４ｃの搭載位置のばらつき、治具５５ａによるワーク５６のクランプ位置のばらつき、ロボット５１の位置決め誤差などにより、部品５４ｄ，５４ｅの実装時に、部品５４ｃに過大な負荷を与えてしまう場合がある。

この治具５５ａの下部に本発明のコンプライアンス装置１を搭載すると、図９のようになる。
そして、図１０（ａ）に示すように、このコンプライアンス装置１により、部品５４ｄを実装するときにはＸ方向とθ方向のバネ定数設定を小さく、Ｙ方向のバネ定数設定を非常に大きくする。これにより、Ｙ方向については位置決め状態で、Ｘ方向やθ方向については部品５４ｃに過大な負荷をかけずに、部品５４ｄを突き当てて実装することができる。

次に、図１０（ｂ）に示すように、このコンプライアンス装置１により、部品５４ｅを実装するときにはＹ方向とθ方向のバネ定数設定を小さく、Ｘ方向のバネ定数設定を非常に大きくする。これにより、Ｘ方向については位置決め状態で、Ｙ方向やθ方向については部品５４ｃに過大な負荷をかけずに、部品５４ｅを突き当てて実装することができる。
このように、異なる工程を同一の治具５５ａを用いて実装することができるようになる。

以上のように、この実施の形態１によれば、対向配置された第１，２のプレート１１，１２と、第１，２のプレート１１，１２間に配置され、当該第１，２のプレート１１，１２を対向面内で相対的に変位させる３つのリンク機構１３と、各リンク機構１３の動作を制御する制御部１４とを備え、リンク機構１３は、第１，２のフレーム１３１，１３２と、第１のフレーム１３１を第１のプレート１１に対して回動自在に接続する第１の回転機構１３３と、第２のフレーム１３２を第２のプレート１２に対して回動自在に接続する第２の回転機構１３４と、第１，２のフレーム１３１，１３２を相対的に変位可能に接続する直動機構１３５と、第１の回転機構１３３の回転角度を検知する角度センサ１３６と、第１の回転機構１３３の発生トルクを制御する回転モータ１３７とを備え、制御部１４は、角度センサ１３６による検知結果に基づいて回転モータ１３７を制御するように構成したので、平面内方向にコンプライアンスを有し、可動部の微細な力制御が可能であるアクティブコンプライアンス装置を得ることができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

１ コンプライアンス装置
１１，１２ 第１，２のプレート
１３，１３ａ〜１３ｃ 第１〜３のリンク機構
１４ 制御部
５１ ロボット
５２ ハンド
５３ パレット
５４，５４ａ〜５４ｅ 部品
５５，５５ａ 治具
５６ ワーク
１３１，１３２ 第１，２のフレーム
１３３，１３４ 第１，２の回転機構
１３５ 直動機構
１３６ 角度センサ
１３７ 回転モータ
１４１ コンプライアンス値設定部
１４２ センサ値取得部
１４３ 角度計算部
１４４ モータトルク計算部
１４５ モータトルク出力部
１４６ コンプライアンス値変更判断部
５４１，５４２ 面

Claims (2)

1. 対向配置された第１，２のプレートと、
   前記第１，２のプレート間に、前記第１，２のプレート面に対して三角形状となるように配置され、当該第１，２のプレートを対向面内で相対的に変位させる３つのリンク機構と、
   前記各リンク機構の動作を制御する制御部とを備え、
   前記リンク機構は、
   第１，２のフレームと、
   前記リンク機構の一端側に設けられ、前記第１のフレームを前記第１のプレートに対して回動自在に接続する第１の回転機構と、
   前記リンク機構の他端側に設けられ、前記第２のフレームを前記第２のプレートに対して回動自在に接続する第２の回転機構と、
   前記第１，２のフレームを相対的に変位可能に接続する直動機構と、
   前記第１の回転機構の回転角度を検知する角度センサと、
   前記第１の回転機構の発生トルクを制御する回転モータとを備え、
   前記制御部は、ＸＹθ座標系におけるコンプライアンス値であって、ＸＹθ座標系における慣性、粘性、および弾性のうちの少なくとも一つを含むコンプライアンス値を設定するとともに、３つの前記角度センサにより検知された前記回転角度と、前記コンプライアンス値とに基づいて算出したトルクにより３つの前記回転モータを制御し、かつ前記コンプライアンス値の変更が必要であると判断した場合に前記コンプライアンス値を変更することを特徴とするアクティブコンプライアンス装置。
2. 前記制御部は、
   前記第２のプレートで発生する前記コンプライアンス値を設定するコンプライアンス値設定部と、
   前記角度センサによる検知結果を示すセンサ値を取得する角度取得部と、
   前記角度取得部により取得されたセンサ値に基づいて、前記第１の回転機構の回転角度を計算する角度計算部と、
   前記角度計算部により計算された前記第１の回転機構の回転角度と、前記コンプライアンス値とに基づいて、前記回転モータに要するトルクを計算するモータトルク計算部と、
   前記モータトルク計算部により計算されたトルクを前記回転モータに出力するモータトルク出力部とを備えた
   ことを特徴とする請求項１記載のアクティブコンプライアンス装置。

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